反复高气压暴露引起动物减压性骨坏死的实验模型的建立
作者：朱祥祺 田伍训 姜德玺 乐秀鸿
单位：(海军医学研究所，上海 200433)
关键词：压力；骨坏死
中国病理生理杂志000627
[中图分类号] R642 [文献标识码] A
[文章编号]1000-4718(2000)06-0574-03
[MeSH] Pressure; Osteonecrosis
减压性骨坏死是一种与压力障碍有关的疾病，对人的健康有很大的危害性。这种疾病主要发生在潜水员和高气压作业的人群中。据1985年的调查，我国海军潜水员中，减压性骨坏死的发病率为2.15%，民用潜水员中为20%左右。减压性骨坏死的治疗目前还是一个有待探讨的问题，因此，动物模型显得非常重要。本试验尝试用小型猪制造减压性骨坏死模型，以便今后开展对此病的病理生理和防治的研究。
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材 料 和 方 法
一、14头6月龄至3岁的小型香猪(SUS SCROFA DOMESTICA Var MINO GUIZHOU MENSIS Yu，贵州中医学院提供)，体重7～24 kg，平均15 kg。
二、所有动物在正式试验前，先作1～2次加压锻炼。用压缩空气加压至0.5 mPa，停留10 min后按标准减压表减压(总减压时间为30 min)。然后采用4组不同的加减压方案：第1组(模拟深潜水，4头)：0.7 mPa压力下停留1.5 h，然后用12 min匀速减至常压。发生严重减压病(decompression illness, DCI)时，进行加压治疗并休息1周，重新实验的第1次暴露压力降至0.5 mPa；第2组(模拟浅潜水，2头)：0.3 mPa停留1.5 h，减压5 min；第3组(模拟常规高气压作业，4头)：0.2 mPa停留5～6 h，减压2 min；第4组(模拟极端高气压作业，4头)：0.35 mPa停留5～6 h，减压1 min。发生严重DCI时给以加压治疗并休息1周，重新实验的第1次暴露压力降至0.3mPa。
, 百拇医药
三、指标测定
观察并记录动物减压后发生的症状。并测定下列指标：(1)血管内流动气泡：在加压前和减至常压后15 min，用超声Doppler气泡探测仪，探测肺动脉中的气泡音。(2)发射同位素计算机断层(emit computed tomography, ECT)检查：从动物的耳缘静脉注入99Tc 2 mL(含同位素7.4×109Bq)，4 h后用戊巴比妥钠麻醉，40 mg/kg ip。首次加压后3个月送上海长海医院同位素室，对动物全身骨骼作ECT检验。(3)骨血流量测定：用同位素(133Xe)清除法[1]测定“股骨”中段的骨血流量。加压前和减压后各1次。(4)纤维蛋白原(fibrinogen, FG)测定：加压前和减压后15 min各采集动物血2 mL左右，EDTA抗凝，用双缩脲法测定FG含量。(5)血细胞计数：加压前和减压后15 min用光镜进行红细胞(RBC)、白细胞(WBC)和血小板(platelet, PLT)计数。(6)取ECT检查阳性的动物长骨作光镜检查。
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结 果
一、动物减压后的症状分为3型
无症状、轻型DCS(抬腿、转换重心等)和重型DCS(瘫痪、气喘气急、呕吐等)。第1组的发病率为100%，其中轻型60%，重型40%，有2头动物因发病太重而死亡；第2，3组的发病率各为1.5%和3%，且都属轻型；第4组发病率为50%，其中40%轻型，10%重型。
二、气泡探测
共对27头次动物作了血流气泡音探测。除第2组的动物外，都测到3级以上的气泡音(见表1)。
表1 气泡音分级
Tab 1 Degree of bubbles in various schedules Group
, 百拇医药
Cases
Doppler(+)
Doppler degree
Incidence(%)
1
10
10
≥3
100
2
2
1
1
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50
3
11
2
1
18
9
≥3
82
4
4
4
≥3
100
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三、血细胞计数的样本取自第3、4组，加压前和减压后相比，两组的RBC、WBC和PLT计数无显著差别(表2、表3)。表2 0.2 mPa暴露后血细胞计数
Tab 2 Change of blood cell count after 0.2mPa exposure(
±s)
RBC
WBC
PLT
Pre-compression
817.9±165.2
18.5±6.4
, 百拇医药
38.5±11.5
Post-decompession
912.3±198.3
22.2±4.6
37.2±8.7
表3 0.35 mPa暴露后血细胞计数
Tab 3 Change of blood cell count after 0.35mPa exposure(±s)
RBC
WBC
PLT
, 百拇医药 Pre-compression
951.9±97.2
18.5±6.5
31.1±4.9
Post-decompession
983.1±105.7
18.2±4.9
37.2±8.1
四、FG含量
测定12个正常动物样本的FG含量为2.22±0.62 μg/mL。试验组动物选择第1组(DCI的发病率是100%)，2头发生了重型减压病的动物，减压后的FG含量有所减少(分别从加压前的3.03和2.71 μg/mL降低到减压后的1.3和2.16 μg/mL)。另6头轻型减压病的动物，减压后FG含量为3.12±0.70 μg/mL，明显高于对照值(P<0.05)。
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五、ECT检查
共作了11只动物的ECT检查(对照：2头；第1～3组：各2头；第4组：3头)。第1～3组中未发现热岛。第4组中，3头动物的股骨中段都有热岛。
六、骨血流量改变
在第4组动物中测定5次，其中有2次发生轻型DCI，3次发生重型DCI。结果发现，减压后两侧肢体的骨血流量均减少，其中骨髓血流量减少明显，而骨皮质骨血流量无明显变化(见表4)。同时，这些改变与DCI发病轻重无关。表4 0.35 mPa暴露后的骨血流量
Tab 4 Blood flow of bone after 0.35 mPa exposure (mL.100 g-1.min-1,±s)
Left
, 百拇医药
Right
F
F1
F2
F
F1
F2
Control(n=13)
15.0±1.3
11.5±1.0
3.4±0.6
15.9±1.3
11.9±1.4
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4.1±0.7
Decompression(n=5)
9.2±2.3*
3.2±0.9*
5.7±2.5
9.7±1.9*
4.9±0.6*
4.8±1.9
F: general blood flow; F1:marrow blood flow; F2:cortex blood flow; *P<0.05，vs control
, 百拇医药
七、病理检查
在ECT检查为阳性的股骨中段，骨髓内有散在的点状和小片状钙质沉着，周围有胶原纤维生成，并可见新生的小血管。
讨 论
Kahlstron等在1939年就已证实[2]，减压性骨坏死的主要病理改变有：坏死区的骨组织有时形成囊状，其中含有坏死的凝胶状物质；坏死区周围为致密的钙化纤维组织所包围，并有结缔组织和新生和小血管侵入，这是一种典型的无菌性骨坏死，是骨组织缺血的结果。用贵州小型香猪进行反复加一减压试验表明，减压可引起骨血流量的减少，这和Pooley等[3]的研究结果相一致。大量文献对这种血流量减少的原因作了各种不同的解释，其中有血管内气栓、血管外气泡压迫、脂肪栓塞、气体引起的渗透压改变和骨髓内压力升高等。虽然这些都不能单独说明减压性骨坏死的确切机制，但其中每一种改变都与减压后形成的气泡有关。气泡是减压性骨坏死的初始原因。气泡形成的初始部位主要是在静脉和毛细血管内[4]，在骨循环中，则首先发生在骨后静脉和骨静脉窦中。气泡通过机械作用和表面活性作用对血流进行干扰：气泡直径超过2倍血管直径时，直接引起血管栓塞(气栓)，或使黄骨髓的脂肪细胞破裂，脂滴进入血管引起栓塞(脂肪栓)；同时，按波义尔定律，气泡体积随外界压力下降而增大，在骨硬壳组成的不能伸缩的空间内，这会使骨内压升高。此外，气泡的气-血界面有很强的表面活性作用：①使球形结构分子(如球蛋白)的亲水基团重新定向而变成链状分子[5]；②吸附PLT并使释放血小板内容物，启动凝血机制[6]；③激活Ⅷ因子，并进一步激活纤维蛋白溶酶[5]。这些血液变化引起的血液流动性改变(粘度升高、血流变慢)，和骨髓压力升高一同起作用，结果是骨血流量减少。但是，减压性骨坏死的机制可能要复杂得多，在本试验中，第3和第4组中，都测到大量气泡音，结果却有很大差异。前者减压病发病率非常低，而且ECT检查未发现骨坏死。因此，可以推测，可能还有其他机制在起作用，对此还要作进一步的研究。
, 百拇医药
[基金项目] 解放军总后勤部卫生部科研基金资助
[参 考 文 献]
[1] 田伍训，余绍宁，云昌全，等.同位素清除法研究不充分减压时小型猪股骨血流量的变化[J].生物医学工程学杂志，1997，4(1)：26～29 .
[2] Kahlstrom SC, Burton CC, Phemister DB. Aseptic necrosis of bone. I.Infarction of bone in caisson disease resulting in encapsulated and calcified areas in diaphysis and in arthritis deformations[J]. Surg Gynecol Obster, 1939, 68:129～146.
[3] Pooley J, Walder DN. Changes in bone marrow circulation following simulated dive[J]. UBR (supple)， 1981,8(1):25～29.
, 百拇医药
[4] 龚锦涵. 减压病[M]. 见：龚锦涵， 王恒星， 叶甲壬， 等. 主编.潜水医学.北京：人民军医出版社，1985. 186～258.
[5] Philp RB, Inwood MJ, Warren BA. Interactions between gas bubbles and components of the blood:Implications in decompression sickness[J]. Aerospace Med, 1972,43:946～956.
[6] Philp RB, Bennett PB, Anderson JC, et al. Effect of aspirin and dipyridamole on platelet function, hematology and blood chemistry of saturation divers[J]. Undersea Biomed Res, 1979, 6:127～143.
[收稿日期]1999-03-18 [修回日期]1999-09-03
, 百拇医药
单位：(海军医学研究所，上海 200433)
关键词：压力；骨坏死
中国病理生理杂志000627
[中图分类号] R642 [文献标识码] A
[文章编号]1000-4718(2000)06-0574-03
[MeSH] Pressure; Osteonecrosis
减压性骨坏死是一种与压力障碍有关的疾病，对人的健康有很大的危害性。这种疾病主要发生在潜水员和高气压作业的人群中。据1985年的调查，我国海军潜水员中，减压性骨坏死的发病率为2.15%，民用潜水员中为20%左右。减压性骨坏死的治疗目前还是一个有待探讨的问题，因此，动物模型显得非常重要。本试验尝试用小型猪制造减压性骨坏死模型，以便今后开展对此病的病理生理和防治的研究。
, http://www.100md.com
材 料 和 方 法
一、14头6月龄至3岁的小型香猪(SUS SCROFA DOMESTICA Var MINO GUIZHOU MENSIS Yu，贵州中医学院提供)，体重7～24 kg，平均15 kg。
二、所有动物在正式试验前，先作1～2次加压锻炼。用压缩空气加压至0.5 mPa，停留10 min后按标准减压表减压(总减压时间为30 min)。然后采用4组不同的加减压方案：第1组(模拟深潜水，4头)：0.7 mPa压力下停留1.5 h，然后用12 min匀速减至常压。发生严重减压病(decompression illness, DCI)时，进行加压治疗并休息1周，重新实验的第1次暴露压力降至0.5 mPa；第2组(模拟浅潜水，2头)：0.3 mPa停留1.5 h，减压5 min；第3组(模拟常规高气压作业，4头)：0.2 mPa停留5～6 h，减压2 min；第4组(模拟极端高气压作业，4头)：0.35 mPa停留5～6 h，减压1 min。发生严重DCI时给以加压治疗并休息1周，重新实验的第1次暴露压力降至0.3mPa。
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三、指标测定
观察并记录动物减压后发生的症状。并测定下列指标：(1)血管内流动气泡：在加压前和减至常压后15 min，用超声Doppler气泡探测仪，探测肺动脉中的气泡音。(2)发射同位素计算机断层(emit computed tomography, ECT)检查：从动物的耳缘静脉注入99Tc 2 mL(含同位素7.4×109Bq)，4 h后用戊巴比妥钠麻醉，40 mg/kg ip。首次加压后3个月送上海长海医院同位素室，对动物全身骨骼作ECT检验。(3)骨血流量测定：用同位素(133Xe)清除法[1]测定“股骨”中段的骨血流量。加压前和减压后各1次。(4)纤维蛋白原(fibrinogen, FG)测定：加压前和减压后15 min各采集动物血2 mL左右，EDTA抗凝，用双缩脲法测定FG含量。(5)血细胞计数：加压前和减压后15 min用光镜进行红细胞(RBC)、白细胞(WBC)和血小板(platelet, PLT)计数。(6)取ECT检查阳性的动物长骨作光镜检查。
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结 果
一、动物减压后的症状分为3型
无症状、轻型DCS(抬腿、转换重心等)和重型DCS(瘫痪、气喘气急、呕吐等)。第1组的发病率为100%，其中轻型60%，重型40%，有2头动物因发病太重而死亡；第2，3组的发病率各为1.5%和3%，且都属轻型；第4组发病率为50%，其中40%轻型，10%重型。
二、气泡探测
共对27头次动物作了血流气泡音探测。除第2组的动物外，都测到3级以上的气泡音(见表1)。
表1 气泡音分级
Tab 1 Degree of bubbles in various schedules Group
, 百拇医药
Cases
Doppler(+)
Doppler degree
Incidence(%)
1
10
10
≥3
100
2
2
1
1
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50
3
11
2
1
18
9
≥3
82
4
4
4
≥3
100
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三、血细胞计数的样本取自第3、4组，加压前和减压后相比，两组的RBC、WBC和PLT计数无显著差别(表2、表3)。表2 0.2 mPa暴露后血细胞计数
Tab 2 Change of blood cell count after 0.2mPa exposure(
±s)RBC
WBC
PLT
Pre-compression
817.9±165.2
18.5±6.4
, 百拇医药
38.5±11.5
Post-decompession
912.3±198.3
22.2±4.6
37.2±8.7
表3 0.35 mPa暴露后血细胞计数
Tab 3 Change of blood cell count after 0.35mPa exposure(±s)
RBC
WBC
PLT
, 百拇医药 Pre-compression
951.9±97.2
18.5±6.5
31.1±4.9
Post-decompession
983.1±105.7
18.2±4.9
37.2±8.1
四、FG含量
测定12个正常动物样本的FG含量为2.22±0.62 μg/mL。试验组动物选择第1组(DCI的发病率是100%)，2头发生了重型减压病的动物，减压后的FG含量有所减少(分别从加压前的3.03和2.71 μg/mL降低到减压后的1.3和2.16 μg/mL)。另6头轻型减压病的动物，减压后FG含量为3.12±0.70 μg/mL，明显高于对照值(P<0.05)。
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五、ECT检查
共作了11只动物的ECT检查(对照：2头；第1～3组：各2头；第4组：3头)。第1～3组中未发现热岛。第4组中，3头动物的股骨中段都有热岛。
六、骨血流量改变
在第4组动物中测定5次，其中有2次发生轻型DCI，3次发生重型DCI。结果发现，减压后两侧肢体的骨血流量均减少，其中骨髓血流量减少明显，而骨皮质骨血流量无明显变化(见表4)。同时，这些改变与DCI发病轻重无关。表4 0.35 mPa暴露后的骨血流量
Tab 4 Blood flow of bone after 0.35 mPa exposure (mL.100 g-1.min-1,±s)
Left
, 百拇医药
Right
F
F1
F2
F
F1
F2
Control(n=13)
15.0±1.3
11.5±1.0
3.4±0.6
15.9±1.3
11.9±1.4
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4.1±0.7
Decompression(n=5)
9.2±2.3*
3.2±0.9*
5.7±2.5
9.7±1.9*
4.9±0.6*
4.8±1.9
F: general blood flow; F1:marrow blood flow; F2:cortex blood flow; *P<0.05，vs control
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七、病理检查
在ECT检查为阳性的股骨中段，骨髓内有散在的点状和小片状钙质沉着，周围有胶原纤维生成，并可见新生的小血管。
讨 论
Kahlstron等在1939年就已证实[2]，减压性骨坏死的主要病理改变有：坏死区的骨组织有时形成囊状，其中含有坏死的凝胶状物质；坏死区周围为致密的钙化纤维组织所包围，并有结缔组织和新生和小血管侵入，这是一种典型的无菌性骨坏死，是骨组织缺血的结果。用贵州小型香猪进行反复加一减压试验表明，减压可引起骨血流量的减少，这和Pooley等[3]的研究结果相一致。大量文献对这种血流量减少的原因作了各种不同的解释，其中有血管内气栓、血管外气泡压迫、脂肪栓塞、气体引起的渗透压改变和骨髓内压力升高等。虽然这些都不能单独说明减压性骨坏死的确切机制，但其中每一种改变都与减压后形成的气泡有关。气泡是减压性骨坏死的初始原因。气泡形成的初始部位主要是在静脉和毛细血管内[4]，在骨循环中，则首先发生在骨后静脉和骨静脉窦中。气泡通过机械作用和表面活性作用对血流进行干扰：气泡直径超过2倍血管直径时，直接引起血管栓塞(气栓)，或使黄骨髓的脂肪细胞破裂，脂滴进入血管引起栓塞(脂肪栓)；同时，按波义尔定律，气泡体积随外界压力下降而增大，在骨硬壳组成的不能伸缩的空间内，这会使骨内压升高。此外，气泡的气-血界面有很强的表面活性作用：①使球形结构分子(如球蛋白)的亲水基团重新定向而变成链状分子[5]；②吸附PLT并使释放血小板内容物，启动凝血机制[6]；③激活Ⅷ因子，并进一步激活纤维蛋白溶酶[5]。这些血液变化引起的血液流动性改变(粘度升高、血流变慢)，和骨髓压力升高一同起作用，结果是骨血流量减少。但是，减压性骨坏死的机制可能要复杂得多，在本试验中，第3和第4组中，都测到大量气泡音，结果却有很大差异。前者减压病发病率非常低，而且ECT检查未发现骨坏死。因此，可以推测，可能还有其他机制在起作用，对此还要作进一步的研究。
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[基金项目] 解放军总后勤部卫生部科研基金资助
[参 考 文 献]
[1] 田伍训，余绍宁，云昌全，等.同位素清除法研究不充分减压时小型猪股骨血流量的变化[J].生物医学工程学杂志，1997，4(1)：26～29 .
[2] Kahlstrom SC, Burton CC, Phemister DB. Aseptic necrosis of bone. I.Infarction of bone in caisson disease resulting in encapsulated and calcified areas in diaphysis and in arthritis deformations[J]. Surg Gynecol Obster, 1939, 68:129～146.
[3] Pooley J, Walder DN. Changes in bone marrow circulation following simulated dive[J]. UBR (supple)， 1981,8(1):25～29.
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[4] 龚锦涵. 减压病[M]. 见：龚锦涵， 王恒星， 叶甲壬， 等. 主编.潜水医学.北京：人民军医出版社，1985. 186～258.
[5] Philp RB, Inwood MJ, Warren BA. Interactions between gas bubbles and components of the blood:Implications in decompression sickness[J]. Aerospace Med, 1972,43:946～956.
[6] Philp RB, Bennett PB, Anderson JC, et al. Effect of aspirin and dipyridamole on platelet function, hematology and blood chemistry of saturation divers[J]. Undersea Biomed Res, 1979, 6:127～143.
[收稿日期]1999-03-18 [修回日期]1999-09-03
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